(整理)第6章金屬及合金的塑性變形

1、精品文檔第6章金屬及合金的塑性變形6-1金屬的變形特性金屬在外力作用下的變形行為可用拉伸曲線來描述。設拉力為P,試樣伸長量為dl,則應力G和應變8分別為：Pdl6=；8=-Al式中,A為試樣的截面積。服從虎克定律：在拉伸過程中,A和l是變化的,在工程上,為了簡化問題,A常用A0來代替，8也用平均值表示8=（lI。）/。，這樣測得的G-8曲線稱工程（7-8曲線。、工程ff-S曲線P161圖1是低碳鋼拉伸時的工程7-8曲線。當應力低于7時，沒有殘留變形，大于7時，開始發(fā)生塑性變形。所以，7是發(fā)生塑性變形的最小應力，稱屈服強度。屈服強度也是彈性極限7（彈e性變形的最大應力）。在彈性變形階段，當應力小

2、于7時，7-8呈線性，p6=E8式中，E是直線的斜率，稱材料的彈性模量。開始偏離直線的應力7p稱比例p極限。當應力超過7時，開始發(fā)生塑性變形。隨著塑性變形的增加，應力增大,這種現(xiàn)象稱加工硬化。當應力達到最大值7b時，開始下降，直到斷裂。最大值7b稱材料的抗拉bb強度。超過此值，試樣發(fā)生局部頸縮，即發(fā)生了不均勻塑性變形。所以，7bb是材料發(fā)生均勻塑性變形的最大應力。注意，應力超過7b后下降，并不是加工硬化失效。b在結構材料中，我們關心的力學指標是7和7b，它們和硬度一起稱做強sb度指標。在實際應用中，7s值是無法測量的，通常用發(fā)生。.2%塑性變形時對應的應力值來表示屈服強度，稱條件屈服強度。通常

3、我們所說的材料的力學性能，除了上述強度指標外，還有兩個塑性指標，延伸率、斷面收縮率。/一/延伸率是指發(fā)生斷裂時，試樣的伸長率：力=X100%l0Aa斷面收縮率是指發(fā)生斷裂時，試樣截面積的變化率：屮=X100%A0二、真應力-真應變曲線(O-曲線)TT工程應力與真實應力之間的不同是容易發(fā)現(xiàn)的。下面看看工程應變與真實應變的不同。拉伸一個試樣，使其伸長一倍，則工程應變二(21l)/1二1；若是壓000縮，要獲得同樣數(shù)值的負應變，理應壓縮到原長度的一半。但按此算得=(0.511)/1=0.5000兩者不符，必須壓縮到高度為0才能得到-1應變值。這顯然是不對的。問題在哪兒呢？真應變的計算實際上，按工程應

4、變計算的是相對于原長度的平均應變，不是真實的應變值。實際變形過程中，試樣的長度在變化，每個瞬間的應變值應由該時刻的實際長度來決定。這樣，在拉伸時，不同時刻每伸長同樣的增量d1,相應的應變增量就越來越?。欢鴫嚎s時應變增量越來越大。由此可知，要得到真應變，必須按瞬時長度來計算，即1d11=J1=In101100TOC o 1-5 h zVf1111 HYPERLINK l bookmark16 =|0+1+TI1101按此計算，拉伸時=ln2；壓縮時=ln2。TT11=-2010假設有兩種拉伸，一種是將10一次拉伸到12；第二種是1廠1廠12。則第一種：=lnl；T10第二種：、1、1、1=In+

5、In=Int；t111010111111=-40+21豐-20111010在出現(xiàn)頸縮前，分和之間有如下關系:1111亠=1，即一=+1111000s=ln(+1)TT0.010.100.200.501.040.010.1050.220.651.7253.6一T00.0050.020.150.7249.6可見，當變形很小時，兩者相差不大，變形量增大，其差別就顯著。（二）真應力的計算在發(fā)生頸縮前，根據(jù)拉伸體積不變：Al=Al，則0011=a(s+1)可見，在拉伸時，真應力大于工程應力；壓縮時真應力小于工程應力。在彈性變形階段，極小，兩者基本一致，沒必要區(qū)分；但在塑性變形階段，兩者差別很明顯。（三）

6、a-s曲線（P163圖3）TT6-2單晶體的塑性變形一、滑移（一）滑移帶和滑移線將拉伸試樣表面經過拋光處理后進行拉伸變形，然后在顯微鏡下觀察，可以看到，在拋光面上有許多平行的線條（P165圖4）。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在每一線條兩側為同一晶體結構，且具有相同的晶體取向，說明塑性變形沒改變晶體的結構和取向。由此得出結論：這些平行線條是晶體沿某些晶面發(fā)生滑移產生的臺階，稱滑移帶。這種變形方式稱滑移變形。在電子顯微鏡下作高倍觀察，發(fā)現(xiàn)每條滑移帶都是由許多更細小的平行線組成（圖5），稱滑移線。計算表明，每條滑移線產生的臺階是由大量位錯移出晶體造成的?；茙У奶卣髡f明晶體塑性變形具有微觀不均勻性，滑移集中發(fā)生

7、在一些晶面上，在兩條滑移帶之間的晶體未產生變形，只作整體相對位移。（二）滑移系研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生滑移變形時，滑移總是在一定的晶面上，沿著一定的方向進行的，分別稱滑移面和滑移方向。通常，滑移面往往是密排面，滑移方向是精品文檔精品文檔密排方向。一個滑移面和該面上的一個滑移方向構成一個滑移系，它表示晶體滑移的一個可能空間取向?；谱冃问墙饘俚闹饕冃畏绞?，所以，滑移系越多，金屬的塑性越好。例如，面心立方金屬的滑移系是111,共有4x3=12個；密排六方金屬的滑移系是（0001），只有1x3=3個；體心立方金屬的滑移系是110，有6x2=12個。所以，密排六方金屬的塑性較差，如Zn、Mg；而面心立方結構的

8、Au、Ag、Cu、Al塑性較好。研究發(fā)現(xiàn)，體心立方結構的Fe,除了12個110主滑移系外，還有12個112、24個123潛在的滑移系。塑性的好壞也不完全取決于滑移系的數(shù)量。例如，F(xiàn)e的滑移系較多，有48個，但其塑性不如面心立方結構的Au、Ag、Cu、Al,說明塑性還與滑移方向的數(shù)量、滑移面原子密排程度等有關。（三）滑移的臨界分切應力滑移只有在切應力的作用下才能進行?；拼嬖诰Ц褡枇?，只有當滑移系方向的分切應力達到某一臨界值時才能進行滑移，此分切應力稱滑移的臨界分切應力。由P167圖6可知：Fcos久F、t=cospcosA=amA/copA式中，m稱取向因子。當應力達到a時，對應臨界分切應力t

9、:skt=amks注意:對于確定的材料，t是常數(shù)。所以，a值與取向因子有關，它反ks映了單晶體的各向異性（P167圖7）。當m=0時（p=90。或A=90。），a，稱硬取向。s當m=0.5時（如p=A=45。），a最小，稱軟取向。s（四）滑移時晶體的轉動拉伸情況下晶體的轉動見圖8:滑移系趨向與拉伸軸平行，成為硬取向。（五）多滑移精品文檔精品文檔晶體中的滑移系不止一個，它們在空間的取向各不相同。隨著外力的增大，取向最有利的滑移系（軟取向）將最先達到滑移的臨界分切應力值，開始滑移。隨著滑移的進行，該滑移系逐漸由軟取向向硬取向變化，甚至停止滑移。同時，原來的硬取向滑移系可能變成軟取向而開始滑移，如此

10、交替進行。這種在兩個或多個滑移系上同時或交替進行的滑移稱多系滑移，簡稱多滑移。發(fā)生多滑移時，可在拋光表面看到交叉的滑移帶（P168圖11）。（六）交滑移對于螺位錯，由于其柏氏矢量與位錯線平行，所以，滑移面交多，但通常仍在軟取向的滑移系上（密排面的密排方向）首先發(fā)生滑移。但是，在滑移過程中，若由于某種原因使滑移受阻，則在較大的應力下，該螺位錯可在另一個滑移面上，沿相同的滑移方向繼續(xù)滑移，這種滑移方式稱交滑移。發(fā)生交滑移時，可在拋光表面看到曲折狀的滑移帶（P169圖13）。（七）滑移的位錯機制在第1章中我們已經介紹過，晶體的滑移不是整體的剛性切變，而是通過位錯運動實現(xiàn)的。既然滑移需要達到臨界分切應

11、力才能進行，說明位錯運動有阻力。對純金屬單晶體來說，包括點陣阻力、位錯之間的相互作用產生的阻力；位錯與點缺陷作用產生的阻力等。這些阻力決定了純金屬單晶體的屈服強度和流變應力。1、位錯運動的點陣阻力以刃位錯為例，其運動過程是多余半原子面從一個平衡位置向臨近的另一平衡位置移動的過程。此過程有一中間過渡態(tài)，能量升高，產生位錯移動的阻力。這一阻力稱派-納力：2G（2na、p1-vI（1-vb丿式中，a、b為滑移面間距和滑移方向原子間距；v是泊桑比。2、為錯的交割1）兩個刃位錯的交割a、柏氏矢量相互垂直：1個刃型割階，可動。b、柏氏矢量相互平行：2個螺型扭折，不影響位錯運動。2）刃位錯和螺位錯的交割產生

12、2個割階，刃位錯上的割階可動；螺位錯上的割階不可動3）兩個螺位錯的交割（規(guī)律同上，略）4）結論刃位錯上的割階可動，螺位錯上的割階不可動孿生孿生是塑性變形的另一種方式。b)c)（一）孿生變形的概念孿生變形是指晶體的一部分相對于另一部分發(fā)生了均勻切變，構成鏡面對稱的位向關系。變形部分的結構并未改變，只是取向發(fā)生了變化，與未變形部分互為孿晶（變形孿晶）。孿晶之間的界面是共格界面，即孿晶面，也稱孿生面。（二）孿生面和孿生方向面心立方晶體的孿生面和孿生方向通常是111；體心立方晶體的孿生面和孿生方向通常是112；密排六方晶體的孿生面和孿生方向通常是1012可見，孿生面和孿生方向不一定是滑移面和滑移方向，

13、即孿生面和孿生方向不是滑移系。（三）孿生的機制孿生的另一個特點是在均勻切變部分，相鄰晶面之間，沿孿生方向的位移量是孿生面間距的分數(shù)值。說明孿生時，每層晶面的位移應是一個不全位錯的移動造成的。問題是，這種情況如何產生？以面心立方為例，設孿生面和孿生方向是（111）112，見P173圖20。（111）是密排面，孿生時相鄰（111）面的相對位移是6112，這正是面心立方中肖克萊不全位錯的柏氏矢量。精品文檔精品文檔若位錯是按圖a分布的，當這些刃位錯移動到圖b時，正好形成了孿生區(qū)。那么，這種位錯分布如何實現(xiàn)呢？一般認為，可能是由位錯增殖的極軸機制來實現(xiàn)的。如圖，假定有一個位錯線垂直穿過(111)面的極軸

14、位錯，其柏氏矢量具有螺型分量a111(即等于密排面間距)，此3螺位錯使(111)面螺旋上升。若(111)面上的不全位錯上112的一端被極軸固定，則不全6位錯只能繞極軸轉動，每掃過圈就產生一個單原子層的孿晶，這樣不斷轉動就形成孿生變形區(qū)。孿生變形的地位和作用發(fā)生孿生變形時，孿生面和孿生方向不是滑移系，點陣阻力(派-納力)較大，所以孿生變形需要在較大的切應力作用下才能發(fā)生。事實上，在應力還沒有達到孿生變形所需要的最小切應力時，滑移系已達到臨界分切應力，并開始滑移，所以滑移是塑性變形的主要方式。隨著滑移變形的進行，材料發(fā)生加工硬化，繼續(xù)變形需不斷增加應力。當應力增大到一定值時可能發(fā)生孿生變形。雖然孿

15、生變形對塑性變形的貢獻量是有限的，但由于它改變了晶體的取向，使那些因滑移而變成硬取向的滑移系變回到軟取向，滑移得以重新進行。孿生變形時經常發(fā)出聲音，說明孿生變形的速度很快，可以達到聲速。一般認為滑移的速度相對較慢。所以，對于塑性較好的面心立方和體心立方晶體主要以滑移變形為主，很少看到變形孿晶；而對于滑移系很少，塑性較差的密排六方晶體，經常可看到變形孿晶。但是，塑性較好的面心立方和體心立方晶體，在低溫或沖擊載荷作用下，滑移變形受阻，經?？煽吹阶冃螌\晶?？梢?，孿生變形是在滑移變形受阻時的一種輔助變形方式。6-3多晶體的塑性變形在工業(yè)上廣泛使用的金屬材料都是多晶體。一、多晶體變形的特點研究發(fā)現(xiàn)，位錯

16、在晶體中滑移時不能穿越晶界，只能在晶界前沿塞積。分析認為，在多晶體中，晶粒的取向不同，各個晶粒中的滑移系也具有不同的取精品文檔向。在外力作用下，總有一些晶粒中的一些滑移系處于容易滑移的軟取向，這些滑移系首先開始滑移。當位錯滑移到晶界時，相鄰晶粒的取向不同，位錯無法越過晶界。事實上，位錯也不能移出晶粒到達晶界，否則材料將不連續(xù)。所以，在相鄰晶粒的滑移系沒有啟動之前，位錯只能在晶界前沿塞積。位錯塞積使后面的位錯運動阻力增大，需增大外力使之繼續(xù)發(fā)生滑移。這樣，位錯塞積數(shù)量逐漸增大。位錯周圍有應力場，位錯塞積群的應力和不斷增加的外應力和在一起并達到一定數(shù)值時，就有可能使相鄰晶粒的滑移系達到臨界分切應力

17、而開始滑移。該晶粒中位錯的滑移情況也同上面一樣，位錯只能在晶界前沿塞積。無論位錯塞積數(shù)量多大，只要不移出晶粒，該晶粒就無塑性變形。所以，晶體的連續(xù)性對多晶體變形提出了要求：所有晶粒必須同時發(fā)生變形，且必須是協(xié)調變形。協(xié)調變形要求一些較硬取向也要參與滑移，所以多晶體金屬具有較高的強度，見P175圖22。理論研究表明，發(fā)生協(xié)調變形要求晶體至少具有5個獨立的滑移系。這對于面心立方金屬或體心立方金屬來說容易滿足，所以其塑性較好；對于密排六方金屬來說就根本無法滿足，所以其塑性很差。二、晶粒大小的影響屈服強度是反映材料抵抗塑性變形能力的強度指標。研究發(fā)現(xiàn)，晶粒大小對屈服強度的影響滿足霍爾-配奇公式：_1o

18、=o+Kd_2s0材料一定時，o0和K是常數(shù)。定性的說，晶粒越大，位錯塞積群距離位錯源越遠，應力對位錯源的抑制作用就越小，位錯塞積數(shù)量就越多，位錯塞積群的合應力就越大，越容易使相鄰晶粒的滑移系啟動，所以屈服強度越低。研究還發(fā)現(xiàn)，晶粒越細小，材料的塑性越好。一般認為，這與變形的微觀精品文檔均勻性有關。多晶體塑性變形時，每個晶粒內部的位錯分布是不均勻的（有人把這看作是變形不均勻），晶粒越大，這種不均勻就顯得更大；反之也然。三、低碳鋼的屈服現(xiàn)象低碳鋼的屈服現(xiàn)象本屬于合金的變形特性，但通常工業(yè)中使用的合金鋼強度較高，往往不出現(xiàn)低碳鋼的屈服現(xiàn)象，而在工業(yè)純鐵中卻往往可以看到，所以放在這里介紹。柯氏氣團（

19、微量C、N原子）對位錯的釘扎作用。6-4合金的塑性變形合金的組成相可分為固溶體和化合物兩大類，固溶體相通常作為合金的主要組成相，數(shù)量較多，常稱其為基體；化合物主要作為強化相，數(shù)量較少，一般希望它細小而彌散的分布在基體上，故常稱作第二相。一、固溶強化以純金屬為溶劑，加入其它元素的溶質原子形成固溶體。研究發(fā)現(xiàn)，固溶體的強度比純金屬的高（塑性低），并且，隨著溶質含量的增加，固溶體的強度逐漸增加，這種現(xiàn)象稱固溶強化。間隙原子的強化作用通常比置換原子大。溶質原子屬于點缺陷，造成晶格畸變，其應力場阻礙位錯運動，增大變形阻力。二、彌散分布的第二相強化第二相多數(shù)情況下是化合物，硬而脆。若呈連續(xù)網狀分布，合金的塑性幾乎為0，所以，要設法使其彌散分布。彌散分布的第二相強化分兩種強化機制：（一）不可變形第二相的強化（P179圖27）（二）可變形第二相的強化（滑移阻力不同、增加界面）P180圖28。6-5塑性變